View
63
Download
5
Category
Preview:
DESCRIPTION
metabolismos de microorganismos en la biotecnología
Citation preview
Metabolismo
Bacteriano
Martha Lily Ocampo G.
Facultad de Ciencias
Biotecnologa Microbiana
NUTRICIN CELULAR Y
METABOLISMO. La nutricin es el conjunto de procesos de intercambio
de materia y energa que realizan los seres vivos con su entorno con el fin de crear ms materia viva, mantener sus estructuras y reproducirse.
Comprende:
a. La captura e ingestin de nutrientes
b. El transporte y distribucin de los nutrientes
c. La digestin o intracelular
d. El metabolismo
e. La excrecin
Compuestos inorgnicos necesarios crecimiento
bacteriano
Ion Funcin
K+ Maintenance of ionic strength; cofactor for certain enzymes
NH4+ Principal form of inorganic N for assimilation
Ca++ Cofactor for certain enzymes
Fe++ Present in cytochromes and other metalloenzymes
Mg++ Cofactor for many enzymes; stabilization of outer membrane of
Gram- bacteria
Mn++ Present in certain metalloenzymes
Co++ Trace element constituent of vitamin B12 and its coenzyme
derivatives and found in certain metalloenzymes
Cu++ Mo++
Ni++,Zn++
Trace element present in certain metalloenzymes
SO4-- Principal form of inorganic S for assimilation
PO4--- Principal form of P for assimilation and a participant in many
metabolic reactions
CAPTURA E INGESTIN DE NUTRIENTES POR
PARTE DE LAS CLULAS.-
En las bacterias hetertrofas no existedigestin intracelular, fabrican enzimasdigestivas que vierten al exterior cuando sealimentan de macromolculas y partculasorgnicas, ya que carecen de sistemasmembranosos interiores. Las pequeasmolculas obtenidas as son transportadas porprotenas de la membrana plasmtica al interiorbacteriano.
En hongos tambin existen digestionesextracelulares.
Requisitos para el crecimiento
bacteriano
La generacin de ATP y
de poder reductor I
.- Modos de metabolismo generador de ATP.
- A) Oxidacin de compuestos orgnicos.
- Rutas de degradacin de carbohidratos y formacin de piruvato.
- Rutas de utilizacin del piruvato I:
Fermentaciones microbianas: alcohlica, lctica, propinica, cido-mixta, acetobutanlica y otras
- Rutas de utilizacin del piruvato II:
- Respiracin aerobia: ciclo de Krebs.
- Respiracin anxica
La generacin de ATP y de poder
reductor II
- B) Oxidacin de compuestos inorgnicos.
- C) La luz como fuente de energa.- Organizacin y localizacin del aparato
fotoqumico.
- El papel de la clorofila y bacterioclorofila en la fotosntesis.
- Generacin fotoqumica del poder reductor.
- Fotosntesis oxignica.
- Fotosntesis anoxignica.
Biosntesis y polimerizacin
- Consumo de energa y poder reductor.-
Asimilacin de Carbono: fijacin y reduccin de
CO2.
- Asimilacin de Nitrgeno: amoniaco, nitratos.
- Fijacin y reduccin de Nitrgeno atmosfrico.
- Asimilacin del Azufre.
- Biosntesis de monmeros.
- Polimerizacin de monmeros.
- Biosntesis de macromolculas.
Sntesis de la molcula lineal de peptidoglican de
Staphylococcus aureus
EJEMPLOS DE PRODUCTOS BIOSINTTICOS
MICROBIANOS - BIOTECNOLOGA ALIMENTARIA
Integracin y control de los
procesos metablicos- Base bioqumica de la regulacin.
- Mecanismos de regulacin.- Regulacin de la produccin de enzimas.
- Induccin y represin enzimticas.
- Control positivo y control negativo.
- Represin por catabolito y por producto final.
- El opern arabinosa.
- Mecanismo de control por atenuacin: biosntesis de triptfano.
- Regulacin de la actividad enzimtica en rutas ramificadas.
PRINCIPALES PROCESOS
METABLICOS EN
MICROORGANISMOS
Vi
s
i
n
g
e
n
e
r
a
l
m
e
t
a
b
o
l
i
s
m
o
VIAS PRINCIPALES
Embden-Meyerof-Paras (EMP)
Pentosas fosfato (PPP)
Entner-Doudoroff (ED)
Similaridades:
Las tres vas convierten la glucosa afosfogliceraldehdo, aunque por rutas
diferentes.
El fosfogliceraldehdo es convertido apiruvato por las mismas reacciones en las
3 vas.
IMPORTANCIA
Las vas metablicas son la principalfuente de energa en forma de ATP,
NADH (principalmente) y FADH2;
indispensables para el desarrollo de los
microorganismos.
Adems, estas vas metablicas centrales,proporcionan metabolitos precursores de
otras vas fundamentales.
El ATP es el trasportador activado
mas
importante en la clula
Las fuentes y los mecanismos de
generacin de energa de los procariotas
son mas diversos que los de los eucariotas
EMBDEN-MEYERHOF-PARAS (EMP)
O GLICOLISIS.
Etapa 1:
1 Glucosa 2 Fosfogliceraldehdo
2ATP 2ADPAlgunas bacterias fosforilan glucosa durante el transporte celular por el sistema fosfotrasferasa , en el que el fosforil es donado por el PEP.
Etapa 2:
2 Fosfogliceraldehdo Piruvato
2Pi + 4ADP + 2NAD+ 4ATP + 2NADH+ 2H+
Total:
Glu+2ADP+2Pi+2NAD+
2Piruvato+2ATP+2NADH+2H+
Vi
s
i
n
G
e
n
e
r
a
l
M
E
T
A
B
O
L
I
S
M
O
GL
I
C
O
L
I
S
I
S
F
A
S
E
I
N
I
C
I
A
L
http://www.sp.uconn.edu/~terry/images/anim/protgradbact.gif
GLICOLISIS COMO UNA VA
ANABLICA.
La va glicoltica no solo sirve para oxidarcarbohidratos a piruvato y fosforilar ADP,
sino tambin, para proporcionar metabolitos
precursores a otras vas.
Adems, cuando los MO no crecen encarbohidratos, pueden sintetizar los
intermediarios glicolticos de otras fuentes
de carbono como aminocidos, cidos
carboxlicos y lpidos.
VIA PENTOSAS FOSFATO
Produce la pentosa fosfato precursora de la ribosa y desoxirribosa en los cidos nucleicos.
Produce la eritrosa fosfato precursora de los aminocidos aromticos, fenilalanina, tirosina y
triptfano.
Produce NADPH, como la mayor fuente de electrones.
G6P + 6NADP+ 3CO2 + PAGLD + 6NADPH + 6H+
BACTERIAS DEPENDIENTES DE PPP
Thiobacillus novellus y Brucella abortus,carecen de la primera etapa de la EMP y las
enzimas de ED, por lo que usan una PPP
oxidativa para crecer en glucosa:
1 Oxidan la glucosa a Fosfogliceraldehdo por
PPP.
2 El Fosfogliceraldehdo es oxidado a piruvato,
por la etapa 2 de EMP.
3 El piruvato es oxidado a CO, por la va del
cido ctrico.
VIA FOSFOCETOLASA (HETEROLACTICA)
Enzima fosfocetolasa, que divide lapentosa fosfato en glyceraldehido-3-fosfato
y acetyl fosfato.
Es empleada principalmente por bacteriascido heterolacticas, que incluye
Lactobacillus y Leuconostoc.
La sobre reaccin es :Glucosa ---------->1 cido lactico + 1 etanol +1 CO2 + 1 ATP.
VIA ENTNER-DOUDOROFF (ED)
Es caracterstica de los procariotas.
Es de amplia extensin entre las bacterias
aerbicas GRAM-.
Algunas bacterias no pueden realizar la EMP, por lo que dependen de ED.
Glu + NADP+ + NAD+ + ADP + Pi
2Ac. Pirvico + NADPH + 2H+ + NADH + ATP
La va Entner-Doudoroff, puede degradarcidos aldonicos (aldosas oxidadas) como
el gluconato. La E. coli, por ejemplo puede
tomar el gluconato como fuente de carbn
para su crecimiento.
El crecimiento en gluconato induce laproduccin de 3 enzimas: gluconoquinasa,
6-fosfogluconato deshidratasa y KDPG
aldolasa.
Algunas bacterias (Pseudomonas), no tienen fosfofructoquinasa, por lo que no
pueden llevar a cabo la oxidacin de la
glucosa y usan la va ED.
VIA NO FOSFORILADA ED
Se encuentra en Halobacterium saccharovorum, Clostridium, Alcaligenes,
Achromobacter y Rhodopseudomonas
sphaeroides.
Presenta intermediarios no fosforilados previos a 2-ceto-3-deoxygluconato.
Estas bacterias pueden usar el catabolismo de gluconato o glucosa si la
glucosa deshidrogenasa est presente.
PRODUCTOS DEL PIRUVATO
El piruvato es el producto comn del
catabolismo de los
azcares en todas
las vas principales.
Lo que sucede con el piruvato, depende
de si el organismo
respira
aerobicamente
(Acetil CoA) o si
realiza fermentacin
(Lactato, etanol).
La va es operada por Saccharomyces para producir etanol y CO2.
Tambin, es usada por las bacterias cido (homo)lacticas, para la
produccin de cido lactico y por otras
bacterias para la produccin de c.
grasos, alcoholes y gases.
Las fermentaciones son componentes esenciales de alimentos y bebidas y
son utilizados en la industria como
solventes y combustibles.
Pathway Key enzyme Ethanol Lactic Acid CO2 ATP
Embden-Meyerhof
Saccharomycesfructose 1,6-diP aldolase 2 0 2 2
Embden-Meyerhof
Lactobacillusfructose 1,6-diP aldolase 0 2 0 2
Heterolactic
Streptococcusphosphoketolase 1 1 1 1
Entner-Doudoroff
ZymomonasKDPG aldolase 2 0 2 1
Productos finales de las
fermentaciones microbianas
CICLO DEL CIDO CITRICO El ciclo de Krebs, no solo es utilizado para la
oxidacin de Acetil CoA; el succinil CoA es
necesario para la sntesis de aminocidos, ya
que provee precursores de 10 aa que se
encuentran en las protenas.
Tambin es precursor de tetrapirroles, que songrupos prostticos en varias protenas,
citocromos y clorofilas
Es la principal fuente de energa.
Est presente en la mayora de bacteriasaerobias, y en algunas anaerobias que reducen
el sulfato y lo utilizan como aceptor de e-.
CICLO DEL GLIOXILATO
Va para el metabolismo de Acetil CoA.
El ciclo del glioxilato es fundamental en las bacterias aerobias, para su
crecimiento en cidos grasos y acetato.
El glioxilato se combina con acetil CoA para formar malato. El malato se puede
convertir en oxaloacetato a pesar de la
extraccin del succinato, que puede ser
usado en la produccin de porfirinas o
aa.
CICLO DE CALVIN
La fijacin de CO2 en la mayor parte de losfottrofos y en los organismos auttrofos
ocurre por el ciclo de Calvin, donde el
enzima ribulosa bifosfato carboxilasa
(RubisCO) juega un papel importante.
El ciclo de Calvin consume energa y utilizaNADPH y ATP para reducir el CO2 al
estado de oxidacin del material celular.
FO
T
O
S
N
T
E
S
I
S
B
A
C
T
E
R
I
A
S
CI
C
L
O
DE
C
A
L
V
I
N
B
A
C
T
E
R
I
A
S
METABOLISMO FOTOTROFICO
Algunos procariotas pueden convertir laenergia de la luz en energa qumica:cianobacterias, bacterias prpuras y verdesy la "halobacteria".
Las cianobacterias realizan la fotosntesisvegetal: fotosntesis oxignica; lasprpuras y verdes realizan la fotosintessbacteriana o anoxignica; las haloflicasusan un tipo no fotosinttico.
TRANSPORTE DE e- Y FUERZA PROTOMOTRIZ
Durante el transporte de e- se produce ATP porfosforilacin oxidativa.
Los transportadores de e- estn orientados en lamembrana, dando lugar a la separacin deprotones, que son bombeados fuera de la clula,provenientes de la disociacin del agua al igualque los OH que permanecen al interior de esta.
El resultado neto es la generacin de un gradientede pH y un potencial electroqumico por lasdiferencias de cargas y de pH, que originan unestado energizado de la membrana (FPM) y quepuede ser utilizado para la formacin de ATP, lamovilidad (rotacin del flagelo) y el transporteactivo (lactosa y prolina).
+400mV
+200mV
+100mV
-100mV
-250mV
-300mV
-400mV
Metabolismo aerobio
Metabolismo
anaerobio
Reduccin NO3-
Reduccin SO4=
Reduccin CO3=
Fotosntesis oxignica
Fe2+ Fe3+
Bact.Fot. rojas
Bact. Fot. verdes
Fer
men
taci
n
O2
RESPIRACION
FORMAS TXICAS DEL OXGENO
OXGENO SINGLETE O2
Los 2 e externos con spines antiparalelos bien el mismo orbital o en distintos orbitales
Se forma - Qumicamente: Contaminante atmosfrico
- Bioqumicamente:
Fotooxidacin: En presencia de luz visible con unamolcula fotosensible que acta de mediador absorbiendo
luz
Mediante sistemas enzimticos tipo peroxidasa(lactoperoxidasa, mieloperoxidasa) en la leche, saliva,
fagocitos. Convierte iones Cl en hipoclorito OCl que
reacciona con H2O2 dando O2
Cl- OCl- + H2O2 O2 + OH- + HCl
- Fotoqumicamente en la atmsfera superior reaccionando
con O2 para dar ozono O3
FORMAS TXICAS DEL OXGENO
ANION SUPERXIDO O2-Primer producto en la reduccin del O2 a H2O 2
O2 + e- O2-
Tambin se produce por mediacin de la luz ms
molculas fotosensibles (flavinas, quinonas, tioles) y
transferencia de un e- al O2Vida media muy larga, difunde de unas clulas a otras
(sensibilidad de anaerobios estrictos)
Se elimina por accin de la superxido-dismutasa, dando
H2O2O2- + O2- + 2H+ H2O2 + O2
PERXIDO DE OXGENO O22- (H2O2)
Siguiente paso de la reduccin del oxgeno en el proceso respiratorio
O2- + e- + 2H+ H2O2
Se elimina
Por catalasas
H2O2 + H2O2 2H2O + O2
Por peroxidasas asociadas a donadores de electrones
H2O2 + NADH + H+ 2H20 + NAD
+
RADICAL HIDROXILO OH.
Siguiente paso del proceso respiratorio
H2O2 + e- + H+ H2O + OH
.
Tambin se forma por accin de radiaciones ionizantes (rayos X, radiacin )
Es el agente oxidante ms potente. Destruye cualquier sustancia orgnica de las clulas
FORMAS TXICAS DEL OXGENO
Bacteria SPODsa Catalasa
Aerobios o anaerobios facultativos
Escherichia coli
Pseudomona spp
Deinococcus radiodurans
+
+
+
+
+
+
Bacterias aerotolerantes
Butyribacterium rettgery
Streptococcus faecalis
Streptococcus lactis
+
+
+
-
-
-
Anaerobios estrictos
Clostridium pasteurianos
Clostridium acetobutylicum-
-
-
-
electron
acceptor
reduced end
productname of process organism
O2 H2O aerobic respirationEscherichia,
Streptomyces
NO3 NO2, NH3 or N2anaerobic respiration:
denitrification
Bacillus,Pseudomonas
SO4 S or H2Sanaerobic respiration: sulfate
reductionDesulfovibrio
fumarate succinateanaerobic respiration:
using an organic e- acceptorEscherichia
CO2 CH4 methanogenesis Methanococcus
Aceptores finales de e- en la
respiracin de bacterias
REOXIDACIN DEL NADH
Respiracin (aerbica o anxica):NADH + H+ + B + y ADP + y Pi NAD+ + BH2 + y ATP
y= N sitios acoplamiento; B= Aceptor final de e-
Fermentacin (anxica):NADH + H+ + B (orgnico) NAD+ + BH2
Hidrogenasa (anxica):
NADH + H+ H2 + NAD+
ME
T
A
B
O
L
I
S
M
O
L
p
i
d
o
s
y
E
s
t
e
r
o
i
d
e
s
ME
T
A
B
O
L
I
S
M
O
A
M
I
N
O
C
I
D
O
S
CA
T
A
B
O
L
I
S
M
O
H
I
D
R
A
T
O
S
De
C
A
R
B
O
N
o
PRODUCTOS, REACCIONES Y GRUPOS MICROBIANOS RESPONSABLES
DE LOS PROCESOS FERMENTATIVOS MAS IMPORTANTES
Los grupos de bacterias que mas interesan desde el punto de vista alimentario son:
enterobacterias y clostridium (Sanitario) y bacterias lcticas , propionibacterias y
levaduras (Productivo)
Levaduras
Zimomonas
Lctico+ etanol+ CO2
Lactobacilos.
Streptococcus
Leuconostoc
Clostridium
propionicum y
Propioniobacterium
enterobacterias
Clostridium
butiricum
Biomasa + CO2O2
H
Hongos
comerciales
ligninaCICLOS BIOGEOQUMICOS
ORGANISMOS EN EL CICLO
BIOGEOQUIMICO DEL C
ligninaCiclo de Carbono
Celulosa
Lignina
Polmero aromtico complejo,componente mayoritario de la madera,estable a la degradacin anaerbica y sedescompone mediante la accinmicrobiana en condiciones aerbicas.
Reaccin:Lignina fenoles + alcohol
fenoloxidasa, lacasa, lignina-peroxidasa
Coniferinico +alcohol sinapilico+polifenoles + hexosas + pentosas.
ligninaCiclo de Azufre
MECANISMOS DE INTERACCIN DE
MICROORGANISMOS CON METALES
-Precipitacin extracelular
-Acomplejamiento extracelular (Fe, Mb, Va,..)
-Unin o precipitacin a la superficie del MO
- Acumulacin intracelular (metalotioneinas)
(K+, Fe2+,Mg2+, Zn, Cd, Cu,Ni,Ag,)
- Volatilizacin (Hg, As, Se, Te,)
Ciclo del Nitrgeno
Relaciones entre el metabolismo del N inorgnico y
orgnico: Ni (marrn), Norg (morado)
Representacin esquemtica de la fijacin de N: Nitrogenasa
(verde): protena con Mo-Fe. La Rdx-CII, es la ferrodoxina (en
Rizobium) y flavodoxina (Klebsiella), otros MO : Azotobacter (3
nitrogenasas Vanadio en vez de Mo)
Destino de los esqueletos carbonados de los aminocidos:
a glucognicos: naranja a cetognicos: azul
a que pueden ser: gluco-cetognicos : morado
*: a con mas de una va de entrada en las rutas centrales.
Fijacin de Nitrgeno:
Proceso anxico, altamente reductivo:
NITROGENASA REQUIERE ATP
Y PODER REDUCTOR
Bloqueada por oxigeno, NH3, NO3 y A
Bacterias fijadoras:
LIBRES: * aerobios
* anxico
SIMBITICOS: leguminosas, no leguminosas
Procesos importantes en suelo y
ecosistemas acuosos:
Fijacin: 85% es biolgica, (60% en suelo y 40% en ocanos)
Nitrificacin: en suelos: nitrato preferencialmente absorbido por plantas pero se pierde por lixiviacin
Desnitrificacin: prdida de N del ecosistema
es importante en suelos 20-30% del N agregado como fertilizantes
- aplicacin en el tratamiento biolgico de efluentes
SISTEMAS DE TRATAMIENTO
BIOLOGICO DE DESECHOS
No hay ciclo gaseoso, dos reservorios:
- geolgico
- biolgicamente activo (mucho menor ymas activo) no hay cambio deestado de oxidacin: PO4= esnutriente limitante en suelos y lagos
Eutroficacin: entrada de nutrientes aecosistemas acuosos, especialmentefsforo (detergentes y fertilizantes)metabolismo aerobio metabolismoanaerobio
El ciclo del fsforo
CICLO DEL AZUFRE
Ciclo Global S
Formas de Inorgnico S
Estructura C-S
Ester Sulfatos
Procariotas Litotrficas Oxididoras
Azufre
Thiobacillus spp. Caracteristicas
Procariotes Desasimilatorios Sulfuro-
Reduccin
Molecular adaptations to psychrophily:
the impact of omic technologies
Ana Casanueva1, Marla Tuffin1, Craig Cary2 and Don A. Cowan1
1 Institute for Microbial Biotechnology and Metagenomics, University of the Western
Cape, Bellville 7535, Cape Town, South Africa2 Department of Biological Sciences, University of Waikato, Hamilton, New Zealand
Cambios en protenas psicrfilos Explicacin o consecuencia Fuente organismo y la enzima
Frecuencia reducida de la
superficie, el dominio y las
interrelaciones entre las
subunidades inicos y redes de
iones
Aumento de la flexibilidad conformacional y
reduccin de la contribucin a la estabilidad entlpica
Aliivibrio salmonicida catalasa
Colwellia psychrerythraea aminopeptidasa.
Pseudomonas fluorescens b-lact.
Aumento de la superficie no
apareados residuos cargados
Mayor flexibilidad conformacional y retencin de agua mayor, lo
que lleva a una mayor contribucin entrpica a la
responsabilidad
Vibrio sp. PA44 serina proteasa.
Bacillus sp. TA41 subtilisina S41.
Aliivibrio salmonicida superxido dismutasa.
Disminucin de la interaccin
hidrfoba interna
Reduccin del efecto hidrofbico Vibrio sp. PA44 serina proteasa.
Colwellia psychrerythraea aminopeptidasa.
Aumento de disolventes residuos
hidrfobos expuestos
Entropica desestabilizacin Vibrio sp. PA44 serina proteasa.
Aliivibrio salmonicida protenas.
Colwellia psychrerythraea aminopeptidasa.
Bucles externos de longitud
mayor
Renders estructura menos compacta y menos estables Pseudoalteromonas haloplanktis cellulase.
Colwellia psychrerythraea aminopeptidase.
Contenido reducido de prolina y
arginina
El aumento de la entropa molecular Aliivibrio salmonicida proteins.
Colwellia psychrerythraea aminopeptidase.
Pseudomonas fluorescens b-lactamase.
Disminucin del nmero de
enlaces de H y puentes de sal
Mayor flexibilidad Colwellia fenilalanina hidroxilasa
psychrerythraea
Aliivibrio salmonicida endonuclease I.
Pseudomonas fluorescens b-lactamase.
Cold-active zinc metalloprotease.
Aumento de la movilidad o la
accesibilidad del sitio activo de
residuos o
Mayor flexibilidad para el sustrato y cofactor vinculante Pseudomonas sp. PAP metalloprotease.
Colwellia psychrerythraea phenylalanine
hydroxylase.
Aliivibrio salmonicida catalase.
Los avances de la
genmica,
metagenmica y
proteomica en la
psicrfilia
Uno de los objetivos primarios
del genoma psicrofilo y su
secuenciacin metagenomica ha
sido la identificacin de los
determinantes de la secuencia
de los psicrofilos
Tomado de: Microbial Biotechnology-Fundamentals of Applied Microbialy 2end ed. Glazer. p 269
MapaGentico de Xanthomonas campestris pv. Campestris operon gum codifica proteinas requeridas
para biosintesis y exportacin de xantano
GumD, GumM, GumH, GumK, and GumI catalyze reactions 1 through 5.
GumL catalyzes the pyruvyl addition to the external mannose.
GumF catalyzes the acetylation of the internal -mannose GumG the acetylation of the external -mannose.
c
Cleaning up with genomics:
Applying molecular biology to
bioremediation
Lovely, 2003
Nature reviews, Microbiology
The genome of Geobacter bemidjiensis, exemplar for the
subsurface clade of Geobacter species that predominate
in Fe(III)-reducing subsurface environments
Recommended